气液界面Rayleigh-Bénard-Marangoni对流现象实验测量及传质研究

摘要

在气液和液液的传质过程中，由界面温度梯度和浓度梯度所导致的相界面上表面张力梯度和密度梯度，会引发界面不稳定，从而导致界面对流。这是一种重要的界面流体力学不稳定现象，对界面传质会产生重要影响。由表面张力梯度引发的界面湍动称为Marangoni效应，由密度梯度引发的界面湍动称为Rayleigh-Bnard效应。
　　首先建立了一套非稳态气液传质模拟装置，使用粒子成像测速仪（PIV）对静止双组份有机溶剂解吸过程引发的界面Marangoni对流与Rayleigh-Bénard对流进行了定量测量。研究表明，Marangoni效应对液相流场的作用主要集中在液体界面处，而 Rayleigh-Bénard效应主要作用于液相流场主体部分，当两种效应共同作用时，界面流体受到重力方向以及水平方向力的共同作用，界面处产生了滚筒状的对流结构。
　　其次，通过平均速度、特征尺度等统计学分析研究了Rayleigh对流的形态及其对传质过程的影响。Rayleigh对流产生的大尺度漩涡主要影响液相主体。增强因子表明 Rayleigh对流可以提高传质系数，强化传质。本文提出了两种基于速度分布计算传质系数的模型，一种使用速度分布计算特征尺度，从而得到表面更新时间，一种使用速度分布计算浓度分布，从而计算传质系数。两种模型计算出的传质系数与实验值相符并有相同的变化趋势。
　　第三，测量了单组分液滴中由于蒸发导致的Marangoni对流，对于不同蒸发速率的液滴，得到了对流方向相反的Marangoni对流。假设液滴对流对温度分布没有影响，使用理论解析方法计算了液滴蒸发过程的Marangoni对流。假设液滴在蒸发过程中没有形变和有形变两种情况，使用不同模拟方法计算了液滴蒸发过程的Marangoni对流。
　　最后，通过不同方法和不同测量平面研究了乙醇水双组分液滴中的Marangoni对流。数字显微镜定性测量结果表明液滴中的Marangoni对流与浓度和粘度有关。Micro-PIV测得的平行于载玻片液滴顶部截面的运动速度表明Marangoni对流速度是波动的，对流强度随着浓度减小而减小、随着粘度增大而减小。传质系数的测量结果表明传质系数与流场的运动速度有相同的变化趋势，即说明Marangoni对流可以很好的促进传质过程，有利于强化传质。垂直于液滴底部截面的速度分布显示在乙醇浓度较高时传质造成的Marangoni对流占主导地位，速度分布的频率分析显示Marangoni对流是无序没有固定周期的。

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第一章 文献综述

1.1 Rayleigh-Bénard-Marangoni效应

1.2 传质理论

1.3 流体流动测量方法

1.4 湍流理论

1.5 小结

第二章 Rayleigh-Bénard-Marangoni对流的测量

2.1 界面对流的定量测量方法及原理

2.2 粒子成像测速技术及其测量原理

2.3 界面对流测量的实验及结果

2.4 小结

第三章 Rayleigh对流对双组分气液传质的研究

3.1 引言

3.2 实验设备和方法

3.3 测量及结果分析

3.4 小结

第四章 单组分液滴中温度导致Marangoni对流研究

4.1 引言

4.2 实验设备和方法

4.3 实验结果

4.4 解析方法计算液滴中的Marangoni对流

4.5 忽略界面形变的模拟计算

4.6 考虑液滴形变的模拟计算

4.7 小结

第五章 双组分液滴气液传质过程中的Marangoni对流

5.1 引言

5.2 实验设备和方法

5.3 测量及分析结果

5.4 双组分液滴中心截面Marangoni对流测量

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 界面对流研究展望

符号说明

附录 液滴解析计算过程

参考文献

Larson教授评价

发表论文和科研情况说明

致谢